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多分体现象和多分体病毒的秘密(三)

作者:多分体基因组

病毒学研究

多分体现象、多分体基因组和多分体病毒

1960年代,随着多分体病毒的发现,多分体现象、多分体基因组的许多秘密吸引了众多科学家的注意,引申出了许多观点与推测。美格君在前面的文章已经分享了法国植物病理学家Anne的部分观点,这里继续介绍:

3、多分体病毒的基因表达

为了在非常小的基因组中编码所有必需的基因和功能,并调节其协调表达,病毒具有极大的创造性。

特别是,病毒必须处理宿主细胞机制,这通常将mRNA的翻译限制为仅一个ORF。

现在已知有十多种不同的策略用于单体病毒的基因表达,并且大多数策略也被分段和多分体病毒使用。例如,病毒基因组或片段可以编码单个或多个基因;这些基因可以从单个mRNA或亚基因组(或亚段)mRNA表达,作为单个蛋白质,有时可以随后切割成具有特定功能的几种产物。在其他情况下,基因组或片段可以有内部核糖体进入位点(IRES),允许翻译多个ORF,存在有漏洞的扫描序列,允许多顺反子RNA不止产生一个蛋白质,或者生成策略,以促进单个mRNA上编码的几个ORF翻译的重新启动。


在这种复杂的情况面前,病毒基因组分割可以提供一个极端的简化,其中每个片段将编码单个基因。

分段和多分体病毒系统的一个长期可预见的优势是,每个片段都可以拥有自己的特定调控序列。

令人惊讶的是,只有两个病毒组进化出了这种最终的简化:多分体病毒家族纳米病毒科和Partitiviridae。在所有其他分段或多分体病毒物种中,未发现一段/一基因策略或与编码多个基因的其他片段组合。

总之,基因组分割可能是匹配宿主细胞的基因表达和RNA翻译机制的简单方法的推测似乎并不完全令人满意,因为在大多数情况下,观察到这些病毒中基因表达的控制与单体病毒一样复杂。


调节基因表达的另一种方法是基因(或片段)拷贝数的差异调节,这种方法在分段和多分体中很容易实现,但在单体病毒中则不然。

尽管有关于基因拷贝数(GCN)变异对所有细胞生物中基因表达的重大影响的重要文献,但这一想法迄今为止几乎没有进入病毒学领域,可能是由于拷贝数变异在大小受限的病毒基因组中似乎不太适合。

然而,如果基因拷贝数变化的水平不是单个基因组,而是片段群,则这种观点可能会改变。

直到最近, 宿主内病毒种群中不同基因组片段的相对频率,乃至其相对拷贝数都尚未明确估算。

Anne团队在纳米病毒蚕豆坏死特技病毒(FBNSV)中直接解决了这个问题,发现每个ssDNA片段,在这种情况下,每个基因,在给定环境中以特定的相对拷贝数可重复积累。

他们提出,这些拷贝数(每个拷贝数与特定片段相关)定义了“基因组公式”(图1A),这被证明是宿主植物物种特有的(图1B)。


由于更接近稳态或设定点基因组公式的病毒种群积累到更高水平,Anne推测GCN的差异调节可能是适应性的,并且可能对多分体病毒产生不可预见的益处。之前的研究表明,纳米病毒以外的多组分病毒也可以调节GCN,最近的证明是(+)ssRNA苜蓿花叶病毒。虽然多组分病毒可能会在其生命周期的所有步骤(细胞内复制,传播到下一个细胞和下一个宿主)中潜在地控制GCN,但分段病毒在传播步骤中似乎受到限制,因为在大多数情况下,每个片段的单拷贝被包裹在每个病毒颗粒中。

然而,分段病毒可以通过特异性改变一个基因片段的包装效率,在细胞内水平和宿主群体内水平控制GCN,但后一种可能性迄今为止证明的不多。


多分体病毒基因组式的示意图

图1. 蚕豆坏死矮化病毒(FBNSV)在两种不同寄主植物物种中的基因组式的示意图。


图1. 显示的基因组式是蚕豆(A)和苜蓿(B)。研究人员已经在宿主内病毒群体中计算了八个FBNSV区段的相对频率。每个片段的拷贝数按舍入取中值,相对于不太丰富的片段以1表示。核心基因组对应于病毒基因组的经典概念(矩形框)。改编自参考文献。


基因组式可能是理解多分体病毒特定生物学的重要一步,原因有几个:

(i)它代表了在分段病毒基因组中调节基因表达的推定优势;

(ii)这种优势最适用于多分体病毒,因为GCN可以在所有感染步骤中轻松调节;

(iii)正如后面进一步讨论的那样,这种优势是迄今为止描述的** 一个对片段的相对频率施加限制的优势,这可以解释为什么这些病毒系统没有发展到所有片段理想情况下以相同频率累积的最小成本的情况。


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